Prof. Ing. Pavel Bezoušek, CSc ELEKTRONICKÉ SOUČÁSTKY 6. Optoelektronické součástky II (Zobrazovače a snímače obrazu ) Prof. Ing. Pavel Bezoušek, CSc

Pásmo optických kmitočtů f [Hz]  [m] 0,3T 3T 30T 300T 3 000T 0,1mm 10m Mikrovlnné kmitočty Optické záření Daleké infračervené Ultrafialové záření f 1m 0,1m Milimetrové Sub-milimetrové Blízké infračervené Viditelné Infračervené 10nm 1nm Roentgen záření hf [eV] 0,001 0,124 1,24 12,4 0,012 124 1240 1mm 30 000T Pozn.: T = 1012,  = 10-6, n = 10-9, h = 6,63.10-34 Js, 1eV = 1,6.10-19 J

Viditelné světlo Barvy a vlnové délky 780 nm 650 nm 580 nm 530 nm červená oranžová žlutá zelená modrá fialová f viditelné světlo ultra fialová infra červená 

Citlivost lidského oka Viditelné světlo Citlivost lidského oka 400 500 600 700 20 40 60 80 100  nm B G 555 R

Zobrazovače Typy zobrazovačů Alfanumerické Zobrazují buď jen číslice a znaky +,-, ., nebo také písmena Zpravidla jednobarevné Podle technologie: LED LCD Podle topologie: bodové maticové Obrazovky Zobrazují úplnou obrazovou informaci Černobílé nebo barevné Podle technologie: Elektronkové (obrazovky) LCD: pasivní, aktivní (TFT) Plazmové

Zobrazovače Alfanumerické zobrazovače Maticové: Sedmisegmentový maticový element Zobrazuje číslice, případně doplněné znaky: plus, minus, desetinná tečka V případě LED zobrazovače je proud 1 segmentu 10 – 30 mA (při 1,5 – 2 V) – velká spotřeba, dobrá viditelnost (i ve tmě), široký úhel pozorování Bodové: Například LED zobrazovače Typické pásové zobrazovače s diodami LED nebo žárovkové

Počet řádků na snímek - M Obrazovky Plošný rozklad obrazu Různé normy (MxN): Snímek: Řádky: Body Počet bodů na řádek - N Počet řádků na snímek - M TV (PAL) : 575 x 767 TV (NTSC): 480 x 640 Počítačová: 3000 x 4000 HDTV: 720 x 1280 nebo: 1080 x 1920

Odvozené barvy (R:G:B): Obrazovky Barevný rozklad obrazu Základní barvy: Diagram barev: 0,2 0,4 0,6 0,8 1 750 R B G bílá 610 590 570 550 530 520 490 480 380 x y Červená R (Red) -  = 610 nm Zelená G (Green) -  = 534 nm Modrá B (Blue) -  = 470 nm Odvozené barvy (R:G:B): Bílá – 0,3 : 0,59 : 0,11 Žlutá – 0,36 : 0,38 : 0,26 Fialová – 0,4 : 0,27 : 0,33

Zobrazovače s tekutými krystaly (LCD - Liquid Crystal Display) Tekuté krystaly – látky, které mají určitou krystalickou strukturu i v tekutém stavu. Nematické tekuté krystaly – mění své polarizační vlastnosti pod vlivem přiloženého napětí. Polarizace – směr elektrického pole v rovině vlnoplochy – lze jej vyjádřit dvěma parametry (rozložit do dvou směrů, např. horizontální a vertikální polarizace) Běžné světlo je směsicí obou polarizací. Jedinou polarizaci lze získat pomocí polarizačního filtru Polar. filtr (vertikální polarizace) Polar. filtr (horozontální polarizace) vertikálně polarizované světlo teoreticky nevystupuje žádné světlo nepolariz. světlo

Zobrazovače LCD Použití nematických krystalů Polar. filtr 1 (Vertik. polar.) Polar. filtr 2 (Horiz. polar.) Vertikál. polariz. světlo světlo proměnné inenzity nepolariz. světlo nematický LCD Světlo s otočenou polarizací U Řízení natočení polarizace Změnou napětí U na LCD lze měnit intenzitu procházejícího světla

Zobrazovače LCD Základní vlastnosti viditelnost znaku, kontrast (až 1:150) barva: odstíny šedi úhel pozorování (první displeje vodorovně 60°, svisle 40°) nízká spotřeba (pouze napětí) rychlost odezvy (1020 ms) rozlišení (desítky až 200 čar na mm) nutnost podsvícení, nebo vnější světlo

(Urychlení, zaostření) Obrazovky TV vakuové - princip Katodový systém Vychylovací cívky Maska Stínítko s luminofory Katodový systém (Urychlení, zaostření) katody G1 (Jas) G2, G4 + 1 kV G3, G5 (Ostření) +6 kV G6, A +25 kV deflektory

Detail dopadu elektronových svazků na stínítko TV obrazovky Princip, vlastnosti Detail dopadu elektronových svazků na stínítko (pohled shora) Vlastnosti Rozměr úhlopříčky do 80 cm Vychylovací úhel až 60° Velké rozměry (hloubka) Vysoký jas a kontrast Velké teplotní rozmezí (-30°C až + 50°C) Vady: konvergence poduškovitost linearita barev. odstínu maska čelní sklo obrazovky luminofory elektronové svazky

TFT obrazovky Princip, uspořádání Každý obrazový bod je tvořen základním zobrazovačem s tekutým krystalem a s integrovaným tenkovrstvým MOS tranzistorem (TFT = Thin Film Tranzistor) Všechny body jsou osvětleny společným zdrojem světla U barevných obrazovek je každý bod tvořen třemi takovými soustavami pro základní barvy R, G, B

TFT obrazovky Zapojení Princip Každý černobílý obrazový bod má kapalný krystal (CLC) a jeden MOS tranzistor (T2) Po dobu zápisu 1 řádku jsou tranzistory T2 v jednom řádku současně sepnuty kladným napětím na hradle Obrazový signál je postupně připojován k jednotlivým sloupcům, pouze v sepnutém řádku a sloupci však nabíjí kapacitu CLC

TFT obrazovky Vlastnosti, použití Malá hloubka, nízké napětí, malá spotřeba Úhlopříčka do 90 cm Úhel pozorování omezen: vodorovně 60°, svisle 20° Pomalá odezva (10 ms) Vysoké rozlišení - až 200 čar/mm - nelze přizpůsobit Menší kontrast (do 500:1) Miniaturní (přenosné) displeje PC ,TV i průmyslová zobrazení Součást TV i datových projektorů Nevhodné pro přímé hromadné sledování více osobami

Plazmové obrazovky Princip, uspořádání Každý bod má společnou výbojovou komoru s anodou a tři samostatné komůrky se samostatnými katodami pro R, G, B, propojené s centrální komorou kanálky. Stěny komůrek jsou pokryty barevnými luminofory. V závislosti na napětí katod se výboj vtahuje do jednotlivých komůrek a vznikající UV záření budí luminofor příslušné barvy. Jednotlivé body displeje mají svou komůrku (společnou pro všechny tři barvy) s inertním plynem, v níž dochází pod vlivem přivedeného napětí mezi budcí anodou (společnou) a katodou (pro každou komůrku zvláštní) k výboji. Na každou výbojovou komůrku jsou úzkými kanálky připojeny ještě tři speciální komůrky, jejichž stěny jsou pokryty luminofory příslušných barev R, G, B. Výboj je do nich vtahován úměrně napětí na anodách jednotlivých barev UR, UG, UB. Podle velikosti těchto napětí je výboj v barevných komůrkách různě intenzivní. Vznikající UV záření vytváří po dopadu na luminofor světelné záření příslušné barvy.

Plazmové obrazovky Vlastnosti, aplikace Použití Vysoký jas (1000 lx- body vydávají vlastní světlo) Vysoký kontrast (5000 : 1) Lze konstruovat i velkoplošné displeje (úhlopříčky kolem 3 m) Větší rozměry pixelu (až 1 mm) Problémy s linearitou barev (jako u vakuové obrazovky) Malá hloubka (6 cm při 1,5x2 m) Velkorozměrové zobrazovací plochy pro individuální i hromadné sledování Vysoký jas a kontrast Velké teplotní rozmezí funkce Velká spotřeba (1kW/1 m2) Nevhodné pro miniaturní použití

Snímání obrazu CCD zařízení Dnes využívají převážně součástky s nábojovou vazbou CCD (Charge Coupled Devices): kondenzátor MOS s  malým a větším napětím přesouvání náboje k sousednímu kondenzátoru akumulace náboje vlivem osvětlení

Snímání obrazu Princip a vlastnosti černobílé kamery Plošný rastr má pro každý zobrazovaný bod dva MOS kondenzátory (vedle sebe): jeden je osvětlován (fotosenzor), druhý je zakryt maskou. V první etapě cyklu se vytvoří náboje na fotosenzorech, ve druhé se náboje přenesou na zakryté kondenzátory, pak se svisle vyčtou do výstupního čtecího registru, odtud na výstupní svorku. Vysoká citlivost i na infračervené záření  noční vidění, citlivé kamery (astrofot.)

Snímání obrazu Barevná kamera A) Bayerova maska B) 3CCD systém Plošný rastr má pro každý pixel 4 detekční body: 1R, 1B, 2G (každý se skládá ze dvou MOS kondenzátorů vedle sebe (jako u černobílé kamery) Jas má vyšší kontrast než barvy, protože se sčítají vždy 4 detektory Menší rozlišovací schopnost (kolem 1 Mpix) Používá se u komerčních a poloprofesionálních kamer Obraz se nejprve rozloží do tří základních barev hranolem nebo barevnými filtry V každé barvě se samostatně sejme jako čenobílý Vysoký barevný kontrast Velmi drahé Levnější řešení – otáčivý barevný filtr + jedno pole detektorů